Mo 合金化对800 MPa 级大梁钢组织和性能影响

2023-07-01供稿周晏锋崔丕林韩宇苗隽马思远

金属世界 2023年3期

供稿|周晏锋，崔丕林，韩宇，苗隽，马思远

内容导读

研究了Mo 元素对800 MPa 级大梁钢组织和性能的影响。结果表明：Mo 元素具有推迟珠光体的转变，抑制多边形铁素体和珠光体形成的作用；经热轧后，加Mo 钢组织为针状铁素体+点状马氏体和奥氏体岛状物（MA 岛），未加Mo 钢组织为多边形铁素体+点状MA 岛；当终轧温度850 °C，卷取温度600 °C 时，综合性能最好，强度普遍提高10~20 MPa，延伸率普遍提高1%，对−40 °C 以下温度的冲击功作用明显，最多提高可达20 J。

Mo 是重要的合金元素，为体心立方晶体结构，广泛应用于合金钢中，因其具有高温强度好、硬度高、抗腐蚀能力强等优点，在钢中具有独特的、不可替代的作用[1]。我国商用车需求量与日俱争，其轻量化、环保化愈发受到关注，同时由于汽车在行驶中受到各种冲击、扭转等复杂应力作用，车架的服役条件相当苛刻[2]，加之“碳达峰”、“碳中和”目标的提出以及对超载超限的严格限制，因此对汽车用钢的综合性能要求越来越高。目前市场上改装车80%左右使用强度700 MPa 以上的高强大梁钢，该类析出强化高强钢在商用车大梁钢的推广应用证明了成型性、低温韧性和焊接性是衡量热轧汽车结构用钢能否实现梁架制造的重要参量[3]。而当前汽车制造业中，汽车大梁一般采用冲压成型和辊压成型工艺，其变形方式以冷弯为主，因此高强大梁钢必须拥有良好的综合性能[4−5]。

实验材料及方法

利用200 kg 真空感应炉熔炼2 炉实验钢钢锭，成分如表1 所示，两炉钢差别在于是否添加Mo 元素进行微合金化处理。之后进行开坯处理，将两实验钢钢锭加热到1200 °C，保温5 h，又在1150 °C进行锻造，锻造成55 mm 厚度的板坯。

实验结果与分析

奥氏体连续冷却转变（CCT）曲线测定

利用Gleeble2000 热模拟实验机对1#钢和2#钢进行热模拟实验，即将试样以10 °C/s 速度加热到奥氏体化温度1200 °C，保温5 min，然后以10 °C/s 的冷却速度降温至850 °C，保温30 s，待完全奥氏体化后分别以0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0 °C/s 的速度进行冷却，根据试样尺寸变化即可测得主要相变点的相变温度，绘制出两种实验钢的连续冷却转变（CCT）曲线，如图1 所示。

表 1 实验钢化学成分（质量分数） %

图 1 实验钢CCT 曲线：（a）1#；（b）2#

图 2 不同终轧温度条件下2 种实验钢金相组织：（a）1#，800 °C；（b）1#，850 °C；（c）1#，890 °C；（d）2#，800 °C；（e）2#，850 °C；（f）2#，890 °C

图 3 终轧温度850 °C 下实验钢的扫描电镜图：（a）1#；（b）2#

图 4 终轧温度890 °C 下实验钢的冲击断口形貌：（a）1#；（b）2#

表 2 不同终轧温度实验钢力学性能

由测得数据及两曲线可以看出，Mo 元素具有提高奥氏体转变温度的作用，奥氏体化温度由891.03 提高到894.12 °C，并且具有缩小奥氏体相区的作用，同时推迟了珠光体的转变并使其转变速度降低，孕育期增长，曲线向右移动。贝氏体相区明显扩大，组织更容易得到。同时Mo 元素也增加了2#钢的淬透性，5~10 °C/s 的冷速时，便会逐渐出现贝氏体组织，通过相变强化来提高钢板的强度。根据模拟实验结果制定实验钢的热轧参数：加热温度1200~1250 °C，轧制厚度 6.0 mm，卷取温度 600 °C，轧制道次7。选取800、850 和890 °C 终轧温度研究其对含Mo 高强大梁钢的性能和组织的影响。

金相组织

图2为实验钢在不同终轧温度轧制后的金相组织，金相组织均为铁素体中弥散分布细小的点状马氏体和奥氏体岛状物（MA 岛）。未加Mo 的1#钢组织主要为多边形铁素体+点状MA 岛，随着终轧温度的升高，多边形铁素体有粗化且不均匀的趋势。加Mo 的2#钢组织主要为针状铁素体+点状MA 岛，组织更加均匀，当终轧温度升高时，能够对组织有一定的细化作用，粗化趋势不明显。Mo 元素有效地抑制了多边形铁素体和珠光体的形成，提高钢的淬透性，对组织细化有一定的作用。

力学性能

表2为实验钢在不同终轧温度轧制后板材横向的力学性能数据，850 °C 终轧温度综合性能最好。当终轧温度为890 °C，奥氏体晶粒没有充分的细化，细晶强化作用受到限制，故强度和韧塑性都较差；当终轧温度为800 °C，由于含有Nb 元素，虽然组织得到了进一步细化，但生产时变形抗力较大，增加轧机负荷，故该终轧温度下大生产时有一定难度。加Mo 钢在综合性能上优于未加Mo 钢，强度上相应提高7~14 MPa，伸长率相应提高1.0%左右，主要源自于金相组织上的不同和对碳化物析出的影响。加Mo 钢中针状铁素体相对更多，针状铁素体具有较好的连锁性，对裂纹的扩展有一定的阻碍和遏制作用，故性能更好，尤其是在韧塑性方面，更能满足使用要求。在含Nb 钢中，Mo 能提高Nb（C、N）在奥氏体中的溶度积，使大量的Nb 保持在固溶体中，以便在低温转变中弥散析出，起到很好的强化作用。Mo 在钢中还能增加碳化物的形核位置，使形成的碳化物更细小、更多[6−7]。

电镜分析

图3是终轧温度850 °C 下1#和2#钢的组织形貌，1#钢主要以大块的多边形铁素体组织为主，2#钢主要以长条的针状铁素体组织为主，与显微镜观看的金相组织一致。图4 是终轧温度890 °C 下1#和2#实验钢−40 °C（该钢种的韧脆转变温度在−40 °C 左右）冲击断口形貌，一般地，韧窝的大小和形状与其析出物有关，而Mo 元素对析出物有一定细化作用。2#钢韧窝更加弥散、细小，其中大韧窝形貌大而深，且周围群集了许多小韧窝[8]，当材料受到冲击载荷时，吸收塑性变形功和断裂功的能力更加分散，尤其对−40 °C 以下的低温冲击功作用明显，最多可提高20 J，由此加Mo 的2#钢的低温冲击韧性更好。